Reaksi Fusi
Reaksi nuklir sebagaimana ditunjukkan oleh persamaan (1.2)
Merupakan reaksi antara inti atom bermuatan, karena kedua inti atom pada sisi kiri persamaan reaksi memiliki nomor atom yang lebih besar dari nol. Reaksi jenis ini sulit untuk direalisasikan karena muatan positif dari masing-masing inti atom akan menyebabkan gaya tolak antar kedua inti, yang disebut gaya coulomb. Oleh karena itu untuk bisa merealisasikan reaksi nuklir seperti (1.2) inti atom harus bertumbukan dengan energi yang sangat tinggi untuk mengatasi gaya Coulomb sehingga kedua inti bisa berinteraksi.
Reaksi nuklir sebagaimana ditunjukkan oleh persamaan (1.2)
Merupakan reaksi antara inti atom bermuatan, karena kedua inti atom pada sisi kiri persamaan reaksi memiliki nomor atom yang lebih besar dari nol. Reaksi jenis ini sulit untuk direalisasikan karena muatan positif dari masing-masing inti atom akan menyebabkan gaya tolak antar kedua inti, yang disebut gaya coulomb. Oleh karena itu untuk bisa merealisasikan reaksi nuklir seperti (1.2) inti atom harus bertumbukan dengan energi yang sangat tinggi untuk mengatasi gaya Coulomb sehingga kedua inti bisa berinteraksi.
Metoda yang umum digunakan untuk bisa merealisasikan terjadinya reaksi itu di bumi (bukan di matahari atau bintang lainnya) adalah dengan menggunakan pemercepat partikel (particle accelerator) yang memberikan energy kinetic sangat tinggi kepada salah satu inti atom lalu menabrakan inti tersebut kepada target yang terbuat dari bahan inti atom kedua. Cara lain adalah dengan menggabungkan kedua nuklida dan menaikkan temperature bahan gabungan sehingga menjadi plasma. Karena energi kinetic rerata dari nuklida sebanding dengan temperature absolutnya, maka pada temperature yang cukup tinggi energi kinetic nuklida mampu mengatasi gaya tolakan coulomb dan terjadilah reaksi seperti reaksi (1.2). Reaksi seperti ini sering diistilahkan reaksi termonuklir.
Dua reaksi berbasis pada penggabungan isotop-isotop hydrogen telah umum dikenal sebagai pondasi untuk menghasilkan energi yaitu reaksi deuterium-deuterium dan deuterium-tritium, sebagai berikut
Kembali, kesulitan untuk merealisasikan reaksi diatas adalah karena reaksi diatas merupakan reaksi nuklida bermuatan. Sehingga agar kedua nuklida dapat berinteraksi, kedua nuklida harus memiliki energi kinetic yang sangat tinggi untuk dapat mengatasi gaya tolakan karena memiliki sama-sama muatan positif. Secara praktis, hal ini tidak dapat dilakukan menggunakan pemercepat partikel karena energi yang dibutuhkan lebih banyak daripada energi yang akan dihasilkan. Maka perlu dicari cara untuk bisa mencapai temperature yang sebanding dengan temperature bagian dalam matahari. Sehingga energi kinetic nuklida mampu mengatasi rintangan gaya coulomb dan terjadi reaksi termonuklir. Reaksi termonuklir biasa terjadi di bagian dalam matahari, namun di bumi temperature yang diperlukan baru bisa tercapai pada ledakan termonuklir yang tidak terkontrol, padahal untuk menghasilkan energi yang stabil, berkelanjutan dan aman diperlukan system yang dapat dikontrol.
Selanjutnya kita akan berlanjut dengan reaksi fisi, dimana energi dihasilkan dengan memecah nuklida berat menjadi dua nuklida yang lebih ringan yang memiliki energi ikat per nukleon yang lebih besar. Neutron dapat digunakan untuk memicu reaksi fisi. Sehingga tidak memerlukan energi kinetic yang tinggi ataupun temperatur tinggi karena tidak ada gaya tolak antar neutron dan nuklida. Neutron dapat langsung berinteraksi dengan inti atom tanpa mengalami hambatan coulomb.
Reaksi fisi
Sekarang kita pelajari reaksi fisi, misalnya reaksi fisi uranium-235 sebagaimana ditunjukan pada gambar 1.2. Dari reaksi fisi dihasilkan sekitar energy 200 MeV, dua atau tiga neutron, dua nuklir lebih ringan (disebut fragmen fisi), dan beberapa sinar gamma dan neutrino. Fragmen fisi akan mengalami peluruhan radioaktif yang menghasilkan produk fisi lainnya. Energi dari fisi, neutron, dan produk fisi memegang peranan penting terkait dengan aspek fisika reaktor nuklir.
Lepasan Energi dan Disipasi
Sekitar 200 MeV energi dihasilkan dari reaksi fisi. Energi ini berupa energi kinetic dari partikel-partikel yang dihasilkan dalam reaksi fisi yaitu fragmen fisi (fission fragments), neutron, juga sinar gamma. Termasuk pula energi kinetic dari partikel yang dihasilkan dari peluruhan fragmen fisi yaitu partikel beta, sinar gamma, dan neutrino. Energi kinetic partikel-partikel hasil reaksi fisi akan terserap sebagai panas ketika partikel-partikel itu berinteraksi dengan bahan sekitar. Interaksi antara tiap partikel dengan atom bahan sekitar berbeda-beda, diantaranya ditentukan oleh muatan dari partikel tersebut. Partikel bermuatan akan memiliki interaksi yang berbeda dengan partikel yang netral. Interaksi ini akan menentukan seberapa besar partikel tersebut memberikan energi kinetiknya kepada atom bahan sebagai panas.
Fragmen fisi merupakan partikel yang memiliki muatan, juga melaju dengan kecepatan yang tinggi (mayoritas energi reaksi fisi adalah energi kinetic dari fragmen fisi). Ketika berinteraksi dengan bahan fragmen fisi akan menyebabkan elektron-elektron dari atom bahan akan tereksitasi keluar dari orbitnya. Hal ini membuat atom-atom bahan terionisasi yaitu terbentuknya ion atom positif dan pasangannya elektron bebas yang bermuatan negatif. Proses ionisasi ini memerlukan energi, yaitu energi yang diperlukan oleh elektron untuk bisa keluar dari ikatan atom (tereksitasi). Energi ini berasal dari energi kinetic fragmen fisi. Sehingga ketika berinteraksi dengan bahan dan menyebabkan atom bahan terionisasi, fragmen fisi akan kehilangan energi kinetiknya, semakin melambat dan pada akhirnya akan berhenti. Sedangkan pasangan ion atom positif dan elektron bebas yang terbentuk ketika dilewati oleh fragmen fisi, akan segera kembali bergabung. Proses penggabungan ini melepaskan energi berupa panas. Jarak yang dibutuhkan oleh fragmen fisi semenjak lahir dari proses fisi hingga akhirnya kehilangan semua energi kinetiknya dan diam merupakan salah satu parameter penting. Jarak ini menentukan rentang tersebarnya energi dari reaksi fisi. Untuk bahan padatan jarak ini hanya berkisar beberapa micrometer, sehingga energi dari reaksi fisi akan berubah menjadi panas hanya pada daerah yang dekat dengan titik terjadinya reaksi fisi. Partikel hasil fisi lainnya yang memiliki muatan adalah partikela alpa dan partikel beta yang dihasilkan dari peluruhan fragmen fisi. Partikel-partikel inipun akan mengalami hal yang sama yaitu memberikan energi kinetiknya kepada atom bahan sehingga mengalami perlambatan dan akhirnya terhenti. Untuk partikel bermuatan yang lebih ringan jarak yang ditempuh akan lebih besar. Namun energi dari partikel-partikel ini jauh lebih kecil dari energi kinetic fragmen fisi.
Neutron, sinar gamma, dan neutrino adalah partikel-partikel hasil fisi yang tidak memiliki muatan. Partikel netral ini tidak terpengaruh oleh muatan negatif elektron disekeliling inti atom ataupun oleh muatan listrik dari inti yang bermuatan positif. Karena itu, partikel-partikel netral ini melaju lurus hingga terjadi tumbukan dimana partikel tersebut terhambur atau mengalami reaksi absorpsi. Bila mengalami reaksi absorpsi maka partikel tersebut akan hilang dan energinya diserap dalam proses tumbukan tersebut. Bila partikel tersebut terhambur, maka akan mengalami perubahan arah dan energi kemudian kembali melaju lurus dengan arah dan energi baru tersebut. Lintasan yang ditempuh antara satu tumbukan dengan tumbukan selanjutnya sangat besar bila dibandingkan dengan jarak antar atom dari bahan sekitar. Untuk neutrino jarak tempuhnya tak hingga karena neutrino tidak berinteraksi dengan bahan. Neutron dan sinar gamma yang bergerak pada bahan padatan jarak tempuhnya pada orde centimeter. Netron akan hanya terhambur oleh inti, sedangkan sinar gamma selain oleh inti juga akan terhambur oleh elektron. Dalam interaksinya dengan inti, neutron akan memberikan energi kinetiknya sehingga inti akan kehilangan elektron-elektron orbitalnya dan memiliki muatan. Begitupun dengan sinar gamma yang memberikan energi kinetiknya ketika berinteraksi dengan elektron. Inti dan elektron yang mendapatkan energi kinetic akan bergerak dengan kecepatan tertentu (sesuai dengan energi kinetiknya), lalu akan melambat dan berhenti. Jarak yang ditempuh hanya dalam order micrometer sehingga energi berupa panas terserap tidak jauh dari lokasi tumbukan.
Sekitar 80% energy yang dihasilkan dalam reaksi fisi merupakan energy kinetic fragmen fisi. Sisanya dibawa oleh neutron, partikel beta, sinar gamma, dan neutrino. Energi yang dibawa oleh neutrino hilang, atau tidak dapat diserap oleh bahan, karena neutrino tidak berinteraksi dengan bahan. Energi lainnya dapat diambil menjadi panas pada reaktor nuklir. Jumlah energy fisi yang dihasilkan berbeda-beda untuk tiap isotop. Untuk uranium-235 sekitar 193 MeV atau 3.1 x 10-11 J dari setiap reaksi fisi.
Perbedaan mekanisme penyerapan energi oleh partikel bermuatan dan tidak bermuatan juga menyebabkan dampak biologis yang berbeda. Partikel alpha dan beta merupakan partikel yang dipancarkan dalam peluruhan fragmen fisi. Partikel ini dikenal sebagai partikel yang memiliki daya tembus lemah, karena mereka memberikan energinya pada jarak yang sangat dekat.Partikel alpha dan beta tidak bisa menembus kulit sehingga tidak akan menimbulkan dampak berarti apabila sumber radiasi berada di luar tubuh. Partikel-partikel ini akan menyebabkan hal yang lebih serius bila radiosisotop pemancarnya terhirup atau masuk ke dalam tubuh. Di dalam tubuh partikel alpha dan beta bisa menyerang paru-paru, saluran pencernaan, atau organ lainnya. Organ yang diserang bergantung kepada sifat biokimia dari radioisotope pemancarnya. Radiostrontium, misalnya, terkumpul di tulang dan menyebabkan kerusakan di bagian itu, sementara radioiodine terakumulasi di tiroid. Sementara itu, karena partikel netral seperti neutron dan sinar gamma dapat menempuh jarak antara satu tumbukan dengan tumbukan lainnya di dalam jaringan tubuh sekitar beberapa centimeter. Hal ini menyebabkan partikel neutral dapat memberi dampak negative meskipun berasal dari sumber luar. Kerusakan yang disebabkan oleh partikel neutral akan terdistribusi lebih merata. Kerusakan ini disebabkan oleh ionisasi air dan molekul jaringan tubuh lainnya pada posisi terjadinya tumbukan antara neutron dengan inti ataupun sinar gamma dengan elektron.
Dua reaksi berbasis pada penggabungan isotop-isotop hydrogen telah umum dikenal sebagai pondasi untuk menghasilkan energi yaitu reaksi deuterium-deuterium dan deuterium-tritium, sebagai berikut
Kembali, kesulitan untuk merealisasikan reaksi diatas adalah karena reaksi diatas merupakan reaksi nuklida bermuatan. Sehingga agar kedua nuklida dapat berinteraksi, kedua nuklida harus memiliki energi kinetic yang sangat tinggi untuk dapat mengatasi gaya tolakan karena memiliki sama-sama muatan positif. Secara praktis, hal ini tidak dapat dilakukan menggunakan pemercepat partikel karena energi yang dibutuhkan lebih banyak daripada energi yang akan dihasilkan. Maka perlu dicari cara untuk bisa mencapai temperature yang sebanding dengan temperature bagian dalam matahari. Sehingga energi kinetic nuklida mampu mengatasi rintangan gaya coulomb dan terjadi reaksi termonuklir. Reaksi termonuklir biasa terjadi di bagian dalam matahari, namun di bumi temperature yang diperlukan baru bisa tercapai pada ledakan termonuklir yang tidak terkontrol, padahal untuk menghasilkan energi yang stabil, berkelanjutan dan aman diperlukan system yang dapat dikontrol.
Selanjutnya kita akan berlanjut dengan reaksi fisi, dimana energi dihasilkan dengan memecah nuklida berat menjadi dua nuklida yang lebih ringan yang memiliki energi ikat per nukleon yang lebih besar. Neutron dapat digunakan untuk memicu reaksi fisi. Sehingga tidak memerlukan energi kinetic yang tinggi ataupun temperatur tinggi karena tidak ada gaya tolak antar neutron dan nuklida. Neutron dapat langsung berinteraksi dengan inti atom tanpa mengalami hambatan coulomb.
Reaksi fisi
Sekarang kita pelajari reaksi fisi, misalnya reaksi fisi uranium-235 sebagaimana ditunjukan pada gambar 1.2. Dari reaksi fisi dihasilkan sekitar energy 200 MeV, dua atau tiga neutron, dua nuklir lebih ringan (disebut fragmen fisi), dan beberapa sinar gamma dan neutrino. Fragmen fisi akan mengalami peluruhan radioaktif yang menghasilkan produk fisi lainnya. Energi dari fisi, neutron, dan produk fisi memegang peranan penting terkait dengan aspek fisika reaktor nuklir.
Lepasan Energi dan Disipasi
Sekitar 200 MeV energi dihasilkan dari reaksi fisi. Energi ini berupa energi kinetic dari partikel-partikel yang dihasilkan dalam reaksi fisi yaitu fragmen fisi (fission fragments), neutron, juga sinar gamma. Termasuk pula energi kinetic dari partikel yang dihasilkan dari peluruhan fragmen fisi yaitu partikel beta, sinar gamma, dan neutrino. Energi kinetic partikel-partikel hasil reaksi fisi akan terserap sebagai panas ketika partikel-partikel itu berinteraksi dengan bahan sekitar. Interaksi antara tiap partikel dengan atom bahan sekitar berbeda-beda, diantaranya ditentukan oleh muatan dari partikel tersebut. Partikel bermuatan akan memiliki interaksi yang berbeda dengan partikel yang netral. Interaksi ini akan menentukan seberapa besar partikel tersebut memberikan energi kinetiknya kepada atom bahan sebagai panas.
Fragmen fisi merupakan partikel yang memiliki muatan, juga melaju dengan kecepatan yang tinggi (mayoritas energi reaksi fisi adalah energi kinetic dari fragmen fisi). Ketika berinteraksi dengan bahan fragmen fisi akan menyebabkan elektron-elektron dari atom bahan akan tereksitasi keluar dari orbitnya. Hal ini membuat atom-atom bahan terionisasi yaitu terbentuknya ion atom positif dan pasangannya elektron bebas yang bermuatan negatif. Proses ionisasi ini memerlukan energi, yaitu energi yang diperlukan oleh elektron untuk bisa keluar dari ikatan atom (tereksitasi). Energi ini berasal dari energi kinetic fragmen fisi. Sehingga ketika berinteraksi dengan bahan dan menyebabkan atom bahan terionisasi, fragmen fisi akan kehilangan energi kinetiknya, semakin melambat dan pada akhirnya akan berhenti. Sedangkan pasangan ion atom positif dan elektron bebas yang terbentuk ketika dilewati oleh fragmen fisi, akan segera kembali bergabung. Proses penggabungan ini melepaskan energi berupa panas. Jarak yang dibutuhkan oleh fragmen fisi semenjak lahir dari proses fisi hingga akhirnya kehilangan semua energi kinetiknya dan diam merupakan salah satu parameter penting. Jarak ini menentukan rentang tersebarnya energi dari reaksi fisi. Untuk bahan padatan jarak ini hanya berkisar beberapa micrometer, sehingga energi dari reaksi fisi akan berubah menjadi panas hanya pada daerah yang dekat dengan titik terjadinya reaksi fisi. Partikel hasil fisi lainnya yang memiliki muatan adalah partikela alpa dan partikel beta yang dihasilkan dari peluruhan fragmen fisi. Partikel-partikel inipun akan mengalami hal yang sama yaitu memberikan energi kinetiknya kepada atom bahan sehingga mengalami perlambatan dan akhirnya terhenti. Untuk partikel bermuatan yang lebih ringan jarak yang ditempuh akan lebih besar. Namun energi dari partikel-partikel ini jauh lebih kecil dari energi kinetic fragmen fisi.
Neutron, sinar gamma, dan neutrino adalah partikel-partikel hasil fisi yang tidak memiliki muatan. Partikel netral ini tidak terpengaruh oleh muatan negatif elektron disekeliling inti atom ataupun oleh muatan listrik dari inti yang bermuatan positif. Karena itu, partikel-partikel netral ini melaju lurus hingga terjadi tumbukan dimana partikel tersebut terhambur atau mengalami reaksi absorpsi. Bila mengalami reaksi absorpsi maka partikel tersebut akan hilang dan energinya diserap dalam proses tumbukan tersebut. Bila partikel tersebut terhambur, maka akan mengalami perubahan arah dan energi kemudian kembali melaju lurus dengan arah dan energi baru tersebut. Lintasan yang ditempuh antara satu tumbukan dengan tumbukan selanjutnya sangat besar bila dibandingkan dengan jarak antar atom dari bahan sekitar. Untuk neutrino jarak tempuhnya tak hingga karena neutrino tidak berinteraksi dengan bahan. Neutron dan sinar gamma yang bergerak pada bahan padatan jarak tempuhnya pada orde centimeter. Netron akan hanya terhambur oleh inti, sedangkan sinar gamma selain oleh inti juga akan terhambur oleh elektron. Dalam interaksinya dengan inti, neutron akan memberikan energi kinetiknya sehingga inti akan kehilangan elektron-elektron orbitalnya dan memiliki muatan. Begitupun dengan sinar gamma yang memberikan energi kinetiknya ketika berinteraksi dengan elektron. Inti dan elektron yang mendapatkan energi kinetic akan bergerak dengan kecepatan tertentu (sesuai dengan energi kinetiknya), lalu akan melambat dan berhenti. Jarak yang ditempuh hanya dalam order micrometer sehingga energi berupa panas terserap tidak jauh dari lokasi tumbukan.
Sekitar 80% energy yang dihasilkan dalam reaksi fisi merupakan energy kinetic fragmen fisi. Sisanya dibawa oleh neutron, partikel beta, sinar gamma, dan neutrino. Energi yang dibawa oleh neutrino hilang, atau tidak dapat diserap oleh bahan, karena neutrino tidak berinteraksi dengan bahan. Energi lainnya dapat diambil menjadi panas pada reaktor nuklir. Jumlah energy fisi yang dihasilkan berbeda-beda untuk tiap isotop. Untuk uranium-235 sekitar 193 MeV atau 3.1 x 10-11 J dari setiap reaksi fisi.
Perbedaan mekanisme penyerapan energi oleh partikel bermuatan dan tidak bermuatan juga menyebabkan dampak biologis yang berbeda. Partikel alpha dan beta merupakan partikel yang dipancarkan dalam peluruhan fragmen fisi. Partikel ini dikenal sebagai partikel yang memiliki daya tembus lemah, karena mereka memberikan energinya pada jarak yang sangat dekat.Partikel alpha dan beta tidak bisa menembus kulit sehingga tidak akan menimbulkan dampak berarti apabila sumber radiasi berada di luar tubuh. Partikel-partikel ini akan menyebabkan hal yang lebih serius bila radiosisotop pemancarnya terhirup atau masuk ke dalam tubuh. Di dalam tubuh partikel alpha dan beta bisa menyerang paru-paru, saluran pencernaan, atau organ lainnya. Organ yang diserang bergantung kepada sifat biokimia dari radioisotope pemancarnya. Radiostrontium, misalnya, terkumpul di tulang dan menyebabkan kerusakan di bagian itu, sementara radioiodine terakumulasi di tiroid. Sementara itu, karena partikel netral seperti neutron dan sinar gamma dapat menempuh jarak antara satu tumbukan dengan tumbukan lainnya di dalam jaringan tubuh sekitar beberapa centimeter. Hal ini menyebabkan partikel neutral dapat memberi dampak negative meskipun berasal dari sumber luar. Kerusakan yang disebabkan oleh partikel neutral akan terdistribusi lebih merata. Kerusakan ini disebabkan oleh ionisasi air dan molekul jaringan tubuh lainnya pada posisi terjadinya tumbukan antara neutron dengan inti ataupun sinar gamma dengan elektron.
0 Komentar
Penulisan markup di komentar